09.23 “量子”通往神的道路

關於“量子”近年來被很多人提起,但“量子”可不是一個新的產物,早在19世紀,“量子”就誕生了,經過二個世紀很多科學家不斷的探索完善,到今天才較為成熟,但“量子”對於我們來說依然是一個米,對它的瞭解遠遠不夠。

“量子”通往神的道路

19世紀後期,科學家們發現很多物理現象無法用經典理論解釋。當時德國物理界聚焦於黑體輻射(黑體輻射是指由理想放射物放射出來的輻射,在特定溫度及特定波長放射最大量之輻射。黑體是可以吸收所有入射輻射的物體,不會反射任何輻射,)問題的研究。1900年左右,M·普朗克試圖解決黑體輻射問題,他大膽提出量子假設,並得出了普朗克輻射定律,沿用至今。普朗克提出:像原子作為一切物質的構成單位一樣,“能量子”(量子是能量的最小單位。物體吸收或發射電磁輻射,只能以能量量子的方式進行。

普朗克在1900年12月14日的德國物理學學會會議中第一次發表能量量子化數值、一個分子摩爾(mol)的數值及基本電荷等。其數值比以前更準確,提出的理論也成功解決了黑體輻射的問題,標誌著量子力學的誕生。

“量子”一詞來源於拉丁語,翻譯為“有多少”,那麼量子究竟是什麼,它對科學又意味著什麼?對於我們的生活又意味著什麼?

量子是物資或者能量的最小單位,在牛頓的經典物理學中,能量是連續的均分的,但在19世紀後期科學家發現很多物理現象無法用經典力學解釋,於是普朗克提出量子化現象,把某種物體放射或吸收能量的過程叫做量子化現象,而這種現象產生的能量或物質的最小單位叫做量子,這一理論經過愛因斯坦的引進在1925誕生了“波粒二象性”,經過法國物理學家德布羅意的引申在1920年代誕生了“波粒二象性”,奧地利物理學家誕生了“量子波動力學”等,標誌著量子理論進入到量子力學階段。

“量子”通往神的道路

1928年英國物理學家首次將量子力學與相對論結合起來,拉開了量子場論(量子場論(Quantum Field Theory, QFT)是量子力學,狹義相對論和經典場論相結合的物理理論)的序幕。量子理論是現代物理學的兩大基石之一(另一個是相對論),為從微觀層面理解宏觀現象提供了理論基礎。

量子物理學是研究微觀粒子運動規律的學科,是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論 。

量子理論的突破首先出現在黑體輻射能量密度隨頻率的分佈規律上 。1900年10月,由於普朗克解釋黑體輻射現象,將維恩定律加以改良,又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋,得出了一個與實驗數據完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。

普朗克提出能與觀測結果很好地符合的簡單公式,實驗物理學家相信其中必定蘊藏著一個尚未被揭示出來的科學原理。

普朗克發現,如作如下假定則可從理論上導出其黑體輻射公式:對於一定頻率ν的輻射,物體只能以hν為能量單位吸收或發射它,h稱之為普朗克常數。換言之,物體吸收或發射電磁輻射,只能以量子的方式進行,每個量子的能量為E=hν,稱為作用量子。

從經典力學來看,能量不連續的概念是絕對不允許的 。但是在詮釋這個公式時,通過將物體中的原子看作微小的量子諧振子,不得不假設這些量子諧振子的總能量不是連續的,即總能量只能是離散的數值(經典物理學的觀點恰好相反)。普朗克進一步假設單獨量子諧振子吸收和放射的輻射能是量子化的,這一觀點嚴重地衝擊了經典物理學。量子論涉及物質運動形式和運動規律的根本變革。

首先注意到量子假設有可能解決經典物理學所碰到的其他疑難的是愛因斯坦。他試圖用量子假設去說明光電效應中碰到的疑難,提出了光量子概念,認為輻射場就是由光量子組成。每一個光量子的能量E與輻射的頻率ν的關係是E=hν。採用光量子概念之後,光電效應中出現的疑難隨即迎刃而解。

“量子”通往神的道路

至此普朗克提出的能量不連續的概念,才逐漸引起物理學家的注意 。就這樣,一位謹慎的物理學家普朗克掀起了20世紀初量子物理學革命的帷幕。

量子力學是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論,是近代物理的基礎理論之一。20世紀前的經典物理學只適於描述一般宏觀條件下物質的運動,而對於微觀世界(原子和亞原子世界)和一定條件下的某些宏觀現象則只有在量子力學的基礎上才能說明。另一方面,物質屬性及其微觀結構只有在量子力學的基礎上才能得以解釋 。所有涉及物質屬性和微觀結構的問題,無不以量子力學作為理論基礎,不過這些似乎都與我們這些普通人沒有關係。

量子於我們最大的聯繫大概就是量子計算機了吧,簡單地說,它是一種可以實現量子計算的機器,是一種通過量子力學規律以實現數學和邏輯運算,處理和儲存信息能力的系統。它以量子態為記憶單元和信息儲存形式,以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算,在量子計算機中其硬件的各種元件的尺寸達到原子或分子的量級。量子計算機是一個物理系統,它能存儲和處理關於量子力學變量的信息。

如同傳統計算機是通過集成電路中電路的通斷來實現0、1之間的區分,其基本單元為硅晶片一樣,量子計算機也有著自己的基本單位——昆比特(qubit)。昆比特又稱量子比特,它通過量子的兩態的量子力學體系來表示0或1。比如光子的兩個正交的偏振方向,磁場中電子的自旋方向,或核自旋的兩個方向,原子中量子處在的兩個不同能級,或任何量子系統的空間模式等。量子計算的原理就是將量子力學系統中量子態進行演化結果

量子計算機擁有強大的量子信息處理能力,對於目前多變的信息,能夠從中提取有效的信息進行加工處理使之成為新的有用的信息。量子信息的處理先需要對量子計算機進行儲存處理,之後再對所給的信息進行量子分析。運用這種方式能準確預測天氣狀況,目前計算機預測的天氣狀況的準確率達75%,但是運用量子計算機進行預測,準確率能進一步上升,更加方便人們的出行。

“量子”通往神的道路

目前的計算機通常會受到病毒的攻擊,直接導致電腦癱瘓,還會導致個人信息被竊取,但是量子計算機由於具有不可克隆的量子原理這些問題不會存在,在用戶使用量子計算機時能夠放心地上網,不用害怕個人信息洩露。另一方面,量子計算機擁有強大的計算能力,能夠同時分析大量不同的數據,所以在金融方面能夠準確分析金融走勢,在避免金融危機方面起到很大的作用;在生物化學的研究方面也能夠發揮很大的作用,可以模擬新的藥物的成分,更加精確地研製藥物和化學用品,這樣就能夠保證藥物的成本和藥物的藥性。

隨著量子理論的完善,量子實驗的進行,相信會產生更多的量子應用以及科學突破,到時不管是對科學,對生活,對我們一定會帶來不可思議的影響。


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